Les noyaux des étoiles à neutrons contiennent de la matière aux densités les plus élevées atteintes dans notre univers actuel, avec jusqu’à deux masses solaires de matière comprimées dans une sphère de 25 km de diamètre. Ces objets astrophysiques peuvent en effet être considérés comme des noyaux atomiques géants, dont la gravité comprime leurs noyaux à des densités dépassant de plusieurs fois celles des protons et des neutrons individuels.
Ces densités font des étoiles à neutrons des objets astrophysiques intéressants du point de vue de la physique des particules et de la physique nucléaire. Un problème ouvert de longue date est de savoir si l’immense pression centrale des étoiles à neutrons peut comprimer les protons et les neutrons dans une nouvelle phase de la matière, connue sous le nom de matière de quarks froids. Dans cet état exotique de la matière, les protons et les neutrons individuels n’existent plus.
« Les quarks et gluons qui les constituent sont libérés de leur confinement de couleur typique et peuvent se déplacer presque librement », explique Aleksi Vuorinen, professeur de physique théorique des particules à l’Université d’Helsinki.
Une transition de phase forte peut encore gâcher la journée
Dans un nouvel article publié dans Communications naturelles, une équipe basée à l’Université d’Helsinki a fourni la toute première estimation quantitative de la probabilité de présence de noyaux de quarks et de matière à l’intérieur d’étoiles à neutrons massives. Ils ont montré que, sur la base des observations astrophysiques actuelles, la matière quark est presque inévitable dans les étoiles à neutrons les plus massives : une estimation quantitative extraite par l’équipe place la probabilité entre 80 et 90 %.
La faible probabilité restante que toutes les étoiles à neutrons soient composées uniquement de matière nucléaire nécessite que le passage de la matière nucléaire à la matière quark soit une forte transition de phase de premier ordre, ressemblant quelque peu à celle de l’eau liquide se transformant en glace. Ce type de changement rapide dans les propriétés de la matière d’une étoile à neutrons a le potentiel de déstabiliser l’étoile de telle manière que la formation, même d’un minuscule noyau de matière de quarks, entraînerait l’effondrement de l’étoile en un trou noir.
La collaboration internationale entre des scientifiques de Finlande, de Norvège, d’Allemagne et des États-Unis a permis de montrer comment l’existence de noyaux de quarks et de matière pourrait un jour être pleinement confirmée ou infirmée. La clé est de pouvoir limiter la force de la transition de phase entre la matière nucléaire et la matière des quarks, ce qui devrait être possible une fois qu’un signal d’onde gravitationnelle provenant de la dernière partie d’une fusion binaire d’étoiles à neutrons sera un jour enregistré.
Un supercalculateur massif fonctionne à l’aide de données d’observation
Un ingrédient clé pour obtenir les nouveaux résultats était un ensemble de calculs massifs sur superordinateur utilisant l’inférence bayésienne, une branche de la déduction statistique où l’on déduit les probabilités de différents paramètres de modèle via une comparaison directe avec des données d’observation.
La composante bayésienne de l’étude a permis aux chercheurs de déduire de nouvelles limites pour les propriétés de la matière des étoiles à neutrons, démontrant qu’elles se rapprochent du comportement dit conforme à proximité des noyaux des étoiles à neutrons stables les plus massives.
Le Dr Joonas Nättilä, l’un des principaux auteurs de l’article, décrit le travail comme un effort interdisciplinaire nécessitant une expertise en astrophysique, en physique des particules et nucléaire, ainsi qu’en informatique. Il est sur le point de commencer comme professeur associé à l’Université d’Helsinki en mai 2024.
« Il est fascinant de voir concrètement comment chaque nouvelle observation d’étoile à neutrons permet de déduire les propriétés de la matière des étoiles à neutrons avec une précision croissante. »
Joonas Hirvonen, titulaire d’un doctorat. étudiant travaillant sous la direction de Nättilä et Vuorinen, souligne en revanche l’importance du calcul haute performance :
« Nous avons dû utiliser des millions d’heures de calcul sur un supercalculateur pour pouvoir comparer nos prévisions théoriques aux observations et limiter la probabilité de noyaux de quarks-matière. Nous sommes extrêmement reconnaissants au centre de supercalculateur finlandais CSC de nous avoir fourni toutes les ressources nécessaires. Nous avions besoin! »
Plus d’information:
Eemeli Annala et al, La matière en interaction forte présente un comportement déconfiné dans les étoiles à neutrons massives, Communications naturelles (2023). DOI : 10.1038/s41467-023-44051-y